The submarine is an underwater weapon system which covertly attacks the enemy. Pressure hull of a submarine is a main system which has to have a capacity which can improve the survivability (e.g., protection of crews) from the high pressure and air pollution by a leakage of water, a fire caused by outside shock, explosion, and/or operational errors. In addition, pressure hull should keep the functional performance under the harsh environment. In this study, optimal design of submarine pressure hull is dealt with 7 case studies done by analytic method and then each result's adequacy is verified by numerical method such as Finite Element Analysis (FEA). For the structural analysis by FEM, material non-linearity and geometric non-linearity are considered. After FEA, the results by analytic method and numerical method are compared. Weight optimized pressure hull initial scantling methods are suggested such as a ratio with shell thickness, flange width, web height and/or relations with radius, yield strength and design pressure (DP). The suggested initial scantling formulae can reduce the pressure hull weight from 6% and 19%.
This paper focuses on geometrically non-linear static analysis of a simply supported beam made of hyperelastic material subjected to a non-follower transversal uniformly distributed load. As it is known, the line of action of follower forces is affected by the deformation of the elastic system on which they act and therefore such forces are non-conservative. The material of the beam is assumed as isotropic and hyperelastic. Two types of simply supported beams are considered which have the following boundary conditions: 1) There is a pin at left end and a roller at right end of the beam (pinned-rolled beam). 2) Both ends of the beam are supported by pins (pinned-pinned beam). In this study, finite element model of the beam is constructed by using total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element. The considered highly non-linear problem is solved by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In order to use the solution procedures of Newton-Raphson type, there is need to linearized equilibrium equations, which can be achieved through the linearization of the principle of virtual work in its continuum form. In the study, the effect of the large deflections and rotations on the displacements and the normal stress and the shear stress distributions through the thickness of the beam is investigated in detail. It is known that in the failure analysis, the most important quantities are the principal normal stresses and the maximum shear stress. Therefore these stresses are investigated in detail. The convergence studies are performed for various numbers of finite elements. The effects of the geometric non-linearity and pinned-pinned and pinned-rolled support conditions on the displacements and on the stresses are investigated. By using a twelve-node quadratic element, the free boundary conditions are satisfied and very good stress diagrams are obtained. Also, some of the results of the total Lagrangian finite element model of two dimensional continuum for a twelve-node quadratic element are compared with the results of SAP2000 packet program. Numerical results show that geometrical nonlinearity plays very important role in the static responses of the beam.
The harmony search method based optimum design algorithm is presented for geometrically non-linear semi-rigid steel frames. Harmony search method is recently developed metaheuristic algorithm which simulates the process of producing a musical performance. The optimum design algorithm aims at obtaining minimum weight steel frames by selecting from standard set of steel sections such as European wide flange beams (HE sections). Strength constraints of Turkish Building Code for Steel Structures (TS648) specification and displacement constraints were used in the optimum design formulation. The optimum design algorithm takes into account both the geometric non-linearity of the frame members and the semi-rigid behaviour of the beam-to-column connections. The Frye-Morris polynomial model is used to calculate the moment-rotation relation of beam-to-column connections. The robustness of harmony search algorithm, in comparison with genetic algorithms, is verified with two benchmark examples. The comparisons revealed that the harmony search algorithm yielded not only minimum weight steel frames but also required less computational effort for the presented examples.
The vibration of an axially moving string is studied when the string has geometric non-linearity and translating acceleration. Based upon the von karman strain theory, the equations of motion are derived considering the longitudinal and transverse deflection. The equation for the longitudinal vibration is linear and uncoupled, while the equation for the transverse vibration is non-linear and coupled between the longitudinal and transverse deflections. These equations are discretized by using the Galerkin approximation after they are transformed into the variational equations, i.e. the weak forms so that the admissible and comparison functions can be used for the bases of the longitudinal and transverse deflections respectively. With the discretized nonlinear equations, the time responses are investigated by using the generalized-$\alpha$ method.
The objective of this work is to analyze geometrically nonlinear static analysis a simply supported laminated composite beam subjected to a non-follower transversal point load at the midpoint of the beam. In the nonlinear model of the laminated beam, total Lagrangian finite element model of is used in conjunction with the Timoshenko beam theory. The considered non-linear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. There is no restriction on the magnitudes of deflections and rotations in contradistinction to von-Karman strain displacement relations of the beam. In the numerical results, the effects of the fiber orientation angles and the stacking sequence of laminates on the nonlinear deflections and stresses of the composite laminated beam are examined and discussed. Convergence study is performed. Also, the difference between the geometrically linear and nonlinear analysis of laminated beam is investigated in detail.
In recent years there are many plate bending elements that emerged for solving both thin and thick plates. The main features of these elements are that they are based on mix formulation interpolation with discrete collocation constraints. These elements passed the patch test for mix formulation and performed well for linear analysis of thin and thick plates. In this paper a member of this family of elements, namely, the Discrete Reissner-Mindlin (DRM) is further extended and developed to analyze both thin and thick plates with geometric nonlinearity. The Von K$\acute{a}$rm$\acute{a}$n's large displacement plate theory based on Lagrangian coordinate system is used. The Hu-Washizu variational principle is employed to formulate the stiffness matrix of the geometrically Nonlinear Discrete Reissner-Mindlin (NDRM). An iterative-incremental procedure is implemented to solve the nonlinear equations. The element is then tested for plates with simply supported and clamped edges under uniformly distributed transverse loads. The results obtained using the geometrically NDRM element is then compared with the results of available analytical solutions. It has been observed that the NDRM results agreed well with the analytical solutions results. Therefore, it is concluded that the NDRM element is both reliable and efficient in analyzing thin and thick plates with geometric non-linearity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.3
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pp.514-520
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2002
A new non-linear modelling of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the generalized-$\alpha$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modelling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by Paidoussis.
A new non-linear of a straight pipe conveying fluid is presented for vibration analysis when the pipe is fixed at both ends. Using the Euler-Bernoulli beam theory and the non-linear Lagrange strain theory, from the extended Hamilton's principle are derived the coupled non-linear equations of motion for the longitudinal and transverse displacements. These equations of motion for are discretized by using the Galerkin method. After the discretized equations are linearized in the neighbourhood of the equilibrium position, the natural frequencies are computed from the linearized equations. On the other hand, the time histories for the displacements are also obtained by applying the $generalized-{\alpha}$ time integration method to the non-linear discretized equations. The validity of the new modeling is provided by comparing results from the proposed non-linear equations with those from the equations proposed by $Pa{\ddot{i}}dousis$.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.677-682
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2003
The non-linear dynamic characteristics of a semi-circular pipe conveying fluid are investigated when the pipe is clamped at both ends. To consider the geometric non-linearity for the radial and circumferential displacements, this study adopts the Lagrange strain theory for large deformation and the extensible dynamics based on the Euler-Bernoulli beam theory for slenderness assumption. By using the Hamilton principle, the non-linear partial differential equations are derived for the in-plane motions of the pipe, considering the fluid inertia forces as a kind of non-conservative forces. The linear and non-linear terms in the governing equations are compared with those in the previous study, and some significant differences are discussed. To investigate the dynamic characteristics of the system, the discretized equations of motion are derived form the Galerkin method. The natural frequencies varying with the flow velocity are computed fen the two cases, which one is the linear problem and the other is the linearized problem in the neighborhood of the equilibrium position. Finally, the time responses at various flow velocities are directly computed by using the generalized- method. From these results, we should to describe the non-linear behavior to analyze dynamics of a semi-circular pipe conveying fluid more precisely.
Silveira, Ricardo Azoubel Da Mota;Goncalves, Paulo Batista
Structural Engineering and Mechanics
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v.12
no.1
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pp.35-50
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2001
A numerical methodology is presented in this paper for the geometrically non-linear analysis of slender uni-dimensional structural elements under unilateral contact constraints. The finite element method together with an updated Lagrangian formulation is used to study the structural system. The unilateral constraints are imposed by tensionless supports or foundations. At each load step, in order to obtain the contact regions, the equilibrium equations are linearized and the contact problem is treated directly as a minimisation problem with inequality constraints, resulting in a linear complementarity problem (LCP). After the resulting LCP is solved by Lemke's pivoting algorithm, the contact regions are identified and the Newton-Raphson method is used together with path following methods to obtain the new contact forces and equilibrium configurations. The proposed methodology is illustrated by two examples and the results are compared with numerical and experimental results found in literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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